在一項新的研究中，來自美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的研究人員詳細(xì)介紹了一種新技能，它允許任何人利用人體中一種稱為膠原蛋白的主要結(jié)構(gòu)蛋白對組織支架進(jìn)行三維生物打印（3-D bioprinting）。這種首創(chuàng)的方法使得組織工程領(lǐng)域更接近于能夠三維打印全尺寸的成人心臟。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2019年8月2日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“3D bioprinting of collagen to rebuild components of the human heart”。

圖片來自Carnegie Mellon University College of Engineering。

這種稱為懸浮水凝膠自由可逆嵌入（Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels, FRESH）的技能允許這些研究人員克服與現(xiàn)有三維生物打印方法相關(guān)的許多挑戰(zhàn)，并使用柔軟的生物材料實現(xiàn)前所未有的分辨率和保真度。

人體中的每個器官，比如心臟，是由稱為細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）的生物支架保持在一起的特化細(xì)胞構(gòu)建而成的。這種ECM蛋白網(wǎng)絡(luò)提供了細(xì)胞執(zhí)行它們的正常功能所需的結(jié)構(gòu)和生化信號。然而，在此之前，人們還不可能使用傳統(tǒng)的生物制造方法重建這種復(fù)雜的ECM結(jié)構(gòu)。

論文通訊作者、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程教授、材料科學(xué)與工程教授Adam Feinberg說道，“我們所展示的是我們能夠利用細(xì)胞和膠原蛋白打印出心臟的多個真正發(fā)揮作用的部分，比如心臟瓣膜，或較小的能夠搏動的心室。通過使用人類心臟的MRI數(shù)據(jù)，我們能夠準(zhǔn)確地重建患者特有的解剖結(jié)構(gòu)，并且利用膠原蛋白和人心臟細(xì)胞進(jìn)行三維生物打印?！?/span>

美國有超過4000名患者正在等待心臟移植手術(shù)，而在除美國之外的全球其他地方，也有數(shù)百萬患者需要心臟但沒有資格進(jìn)入心臟移植候補(bǔ)名單。對器官更換的需求是巨大的，并且需要新的方法來設(shè)計能夠修復(fù)、補(bǔ)充或替換長期器官功能的人造器官。作為卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的生物工程器官倡議（Bioengineered Organs Initiative）的一名成員，F(xiàn)einberg正在努力通過構(gòu)建能夠更緊密地再現(xiàn)天然器官結(jié)構(gòu)的新一代生物工程器官來解決這些挑戰(zhàn)。

論文共同作者、Feinberg實驗室博士生Andrew Hudson解釋道，“膠原蛋白是一種非常理想的三維打印生物材料，這是它幾乎構(gòu)成了人體中的每一種組織。然而，三維打印如此困難的原因在于它在開始時是液態(tài)的，容易變形，所以如果你想在空中打印它，它只會在你的構(gòu)建平臺上形成膠泥。所以我們開發(fā)了一種技能來防止它變形?！?/span>

Feinberg實驗室開發(fā)的這種FRESH三維生物打印方法允許膠原蛋白在一種由凝膠組成的支撐槽（support bath）中進(jìn)行逐層地沉積，從而使得膠原蛋白在從這種支撐槽中取出之前有機(jī)會在適當(dāng)位置上固化。通過使用FRESH，在三維生物打印完成后，將支撐凝膠從室溫加熱到體溫，就能夠很容易地將這種凝膠融化掉。通過這種方式，這些研究人員能夠在不損壞由膠原蛋白或細(xì)胞構(gòu)成的生物打印結(jié)構(gòu)的情形下移除支撐凝膠。

這種方法對于三維生物打印領(lǐng)域來說是非常令人興奮的，這是因為它允許膠原支架按照人體器官的規(guī)模進(jìn)行生物打印。它不僅限于膠原蛋白，這是因為包括纖維蛋白、藻酸鹽和透明質(zhì)酸在內(nèi)的各種其他軟凝膠都能夠利用FRESH技能進(jìn)行三維生物打印，這就提供了一種強(qiáng)大且適應(yīng)性強(qiáng)的組織工程平臺。重要的是，這些研究人員還開發(fā)了開源設(shè)計方法，因此幾乎任何人，不論是在醫(yī)學(xué)實驗室參加科研工作，還是在學(xué)習(xí)高中科學(xué)課程，都能夠構(gòu)建并獲得低成本的高性能的三維生物打印機(jī)。

展望未來，F(xiàn)RESH在再生醫(yī)學(xué)的許多方面都有應(yīng)用，從傷口修復(fù)到器官生物工程，但是它僅是一個不斷發(fā)展的生物制造領(lǐng)域的一部分。Feinberg說道，“我們真正所談?wù)摰氖羌寄艿娜诤稀２粌H是我的實驗室在從事生物打印研究，而且干細(xì)胞科學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)和計算機(jī)模擬領(lǐng)域的其他實驗室和小公司也在從事這方面的研究，此外，很多人在開發(fā)新的三維生物打印硬件和軟件?！?/span>

Feinberg補(bǔ)充道，“重要的是要明白還有許多年的研究尚未完成，但是我們?nèi)匀粦?yīng)當(dāng)感到非常興奮，這是因為我們在構(gòu)建功能性人體組織和器官方向取得實際進(jìn)展，而這篇論文就是沿著這條道路邁出的一步?！?/span>

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